Monitorowanie pracy urządzeń cieplno-mechanicznych elektrowni jako istotny element prognozowania ich żywotności w ostatniej fazie wydłużonej eksploatacji

(1)

www.energetyka.eu grudzień

2009

Jerzy Trzeszczyński

Pro Novum

Monitorowanie pracy

urządzeń cieplno-mechanicznych elektrowni

jako istotny element prognozowania ich żywotności

w ostatniej fazie wydłużonej eksploatacji

Urządzenia energetyczne ze względu na planowany czas pracy min. 200 000 godzin oraz bezpieczeństwo eksploatacji projektowane są ze znacznym współczynnikiem bezpieczeństwa. Szczególnie najstarsze, jeszcze eksploatowane, projektowane ca 50 – 60 lat temu można uznać za bardzo „przewymiarowane”, o czym świadczy zarówno ich długi, bezawaryjny czas pracy jak i znaczna tolerancja na błędy eksploatacyjne. Stabilne, w typowych warunkach pracy, struktury zastosowanych materiałów są źródłem stabilnych włas-ności. Cechy j.w. sprzyjają znacznej tolerancji na błędy obliczeń. Do pewnego czasu eksploatacji, mniej więcej 250 – 300 tys. godzin, błędy towarzyszące obliczeniom stopnia wyczerpania trwałości czy dopuszczalnego czasu pracy nie były (nie są) krytyczne. Jeśli przyjąć, że urządzenia cieplno-mechaniczne elektrowni miałyby pracować, przy nominalnych parametrach, powyżej 300 tys. godzin ich stan techniczny powinien być oceniany na podstawie badań i obliczeń w sposób gwarantujący większą dokładność [1].

Problemy prognozowania

trwałości urządzeń długo eksploatowanych

Wraz ze wzrostem czasu eksploatacji w sposób „naturalny” rośnie częstotliwość (rys. 1a) i ryzyko uszkodzeń (rys. 1c) jako rezultat zmiany własności (rys. 1b) oraz kumulacji negatywnego wpływu przekroczeń parametrów pracy. Rys. 1. Konsekwencje długotrwałej eksploatacji: a) rosnące prawdopodobieństwo awarii, b) spadek wytrzymałości na pełzanie oraz ograniczona liczba danych eksperymentalnych, c) wzrost poziomu ryzyka Dynamika tych zmian nie jest w prosty sposób zależna od czynników, które na nią wpływają, może mieć charakter regularnie zmienny lub zmienny skokowo.

Uszkodzenia pełzaniowe ewoluują powoli i regularnie – od wykrycia pierwszych oznak do zmian fizycznych może upłynąć ok. 30 000 h. Uszkodzenia zmęczeniowe mogą pojawiać się i podlegać wzrostowi znacznie szybciej, w pewnych okolicznoś-ciach mogą nawet propagować lawinowo. Na dynamikę pojawiania się i rozwoju uszkodzeń duży wpływ wywierają warunki pracy, których szczególnym przypadkiem są niesprawności urządzeń oraz błędy eksploatacji, np. w przypadku uszkodzeń termoszokowych [2]. W przypadku ekstremalnie długich czasów pracy pojawiają się specjalne problemy związane z ograniczonym zakresem da-nych eksperymentalnych, tj. charakterystyk materiałowych, które mogłyby być wykorzystywane do obliczeń. O ile w początkowych fazach eksploatacji przeszkadza często zbyt duży – jak na kryteria inżynierskiej przydatności – błąd obliczeniowy, o tyle podczas ekstremalnie długich czasów eksploatacji może okazać się nie-możliwe nawet oszacowanie jego wartości, szczególnie wtedy, gdy jedynym źródłem danych jest .... aproksymacja wykresów przy pomocy linijki.

(2)

2009

Rys. 2. Wpływ warunków pracy i stanu urządzenia (elementu)

na jego trwałość

Często można spotkać nieprawdziwą opinię, że Kontrola Eksploatacji analizuje wystarczająco dokładnie ten problem. Niestety tak nie jest, bowiem przedmiotem jej analizy bywają głównie zakłócenia o charakterze awarii. Wpływu przekroczeń na trwałość elementów w średnim i dłuższym horyzoncie cza-sowym raczej nikt nie analizuje. Jednym z powodów tej sytuacji jest to, że analiza taka nie jest prosta, wymaga doświadczenia, odpowiednich metod, najlepiej zaimplementowanych w formie inteligentnego oprogramowania.

Co i w jaki sposób analizować?

Analizy jakie wykonuje Kontrola Eksploatacji nie mogą przynieść sukcesu także z tego powodu, że wpływu sposobu eksploatacji (nawet z uwzględnieniem analizy zakłóceń) nie da się wykonać bez uwzględnienie szeregu innych danych, takich jak: • wyniki badań, • przyczyny (rzeczywiste) awarii i skuteczność ich usunięcia, • jednoczesna analiza parametrów: – cieplno-mechanicznych, – chemicznych, • sposobu postępowania z urządzeniem podczas postoju, zakładając, że uwzględnienie wpływu: – czasu pracy, – typowych stanów niestacjonarnych, jest brane pod uwagę. Analiza wszystkich ww. danych, praktycznie, nie jest możliwa bez odpowiednich narzędzi – oprogramowania, które rejestruje i przetwarza informacje j.w., z uwzględnieniem określonych reguł i kryteriów [3-5]. Sam program to jeszcze nie wszystko, jego apli-kacji musi towarzyszyć ekspert (grupa ekspertów), nie wszystko warto zaprogramować – przy sensownych nakładach, części potrzebnych możliwości jak wiedza i doświadczenie nie da się zaprogramować, przynajmniej na razie (rys. 3). Takie podejście musi być odpowiednio zintegrowane z eksplo-atacją, czyli zahacza o organizację elektrowni (grupy elektrowni) w zakresie utrzymania. Rys. 3. Analiza warunków pracy urządzenia zapewniająca monitorowanie aktualnego stanu technicznego generująca zalecenia eksploatacyjne i diagnostyczne

Ograniczanie błędów obliczeniowych

przy prognozowaniu trwałości

Z praktycznego punktu widzenia znaczenie mają dwa po-dejścia.

• wyniki obliczeń traktować należy z rezerwą, uznając ich przybli-żony status, kłaść nacisk raczej na umiejętną ich interpretację, niż fizyczny sens konkretnych wartości,

• preferować wyniki badań przyjmując, że stan metalu, który można określić na podstawie badań NDT i DT ma zdecydo-wanie większą przydatność do prognozowania czasu pracy niż wskaźniki uzyskane na drodze obliczeniowej. W praktyce warto stosować obydwa podejścia mając świa-domość ich słabości i zalet.

Praktyczne korzyści

analizy warunków pracy

Określona podczas postoju ocena stanu i prognoza ma często ograniczoną przydatność (nie tylko dla urządzeń długo eksploa-towanych), ponieważ warunki pracy mogą, nawet istotnie, różnić się od tych, które były podstawą prognozy (rys. 2).

(3)

2009

Podsumowanie i wnioski

• Ostatnia faza eksploatacji urządzenia wiąże się z wykorzy- staniem indywidualnego zapasu trwałości najdłużej eksploa-towanych elementów. Aby, w tych warunkach, zapewnić ich bezpieczną pracę należy – po wykonaniu oceny stanu tech-nicznego – wymienić je lub eksploatować nadal monitorując ich rzeczywiste warunki eksploatacji. Indywidualny zapas trwałości może być wykorzystany bezpiecznie i racjonalnie tylko podczas „indywidualnego” nadzoru ich aktualnego stanu technicznego. • Zdecydowanie lepszym niż wykonanie skomplikowanych obli-czeń naprężeń, odkształceń, stopni wyczerpania trwałości etc. jest inteligentna analiza eksploatacji wsparta (zintegrowana) z odpowiednio zaplanowaną diagnostyką.

• Podejście j.w. może okazać się szczególnie przydatne na blokach długo eksploatowanych. Wydłużeniu czasu pracy powyżej 300 tys. godzin powinno towarzyszyć odpowiednie zorganizowanie diagnostyki, najlepiej w formie serwisu, które w czasie rzeczywistym zapewniałby: a) rejestrację historii eksploatacji, b) weryfikację prognozy, c) zalecenia eksploatacyjne • Serwis diagnostyczny można wykonywać w sposób zdalny, co ma wpływ zarówno na jego cenę jak również jakość (udział ekspertów o najwyższych kompetencjach).

Pro Novum jest w trakcie wdrażania takiej usługi w kilku krajowych elektrowniach. Możliwe, że także na nowych blokach powstaną warunki do niezależnego, od dostawcy, monitorowania stanu technicznego urządzeń. VGB przedstawiło – w ostatnim czasie – propozycję wymagań dla dostawców urządzeń w zakresie minimum infor- macji technicznych, jakie powinny być przekazywane Użytkow-nikowi wraz z oddaniem urządzenia do eksploatacji [6]. LITERATURA [1] Dobosiewicz J.: Badania diagnostyczne urządzeń cieplno-me-chanicznych w energetyce. Część I. Turbiny i Część II. Kotły i rurociągi. Biuro Gamma, Warszawa 1998 [2] Trzeszczyński J.: Termoszok jako czynnik ograniczający trwałość elementów ciśnieniowych pracujących powyżej temperatury granicznej. Biuletyn Pro Novum nr 3/2006, Energetyka 2006, nr 12

[3] Duda A., Gawron P., Śliwa A.: Rejestracja wybranych wielkości chemicznych w LM System PRO® elementem oceny stanu technicznego urządzeń i prognozy ich trwałości. Materiały kon- ferencyjne X Sympozjum: Diagnostyka i Remonty Długoeksploa-towanych Urządzeń Energetycznych. Ustroń, Hotel BELWEDER 1-3 października 2008 [4] Trzeszczyński J.: Concept and Present state of implementation of LM System PRO® – The System supporting Maintenance of Thermo-Mechanical Power Equipment 3rd ETC Generation &Technology Workshop. Dublin, 30th October [5] Trzeszczyński J.: Remote diagnostic systems for assessment of thermo-mechanical equipment of Power Plants. 2 nd ECCC Creep Conference. 21 – 23 April 2009, Zurich [6] Richnow J.: VGB - Anforderungen an Technische Anlagendaten fur den Kraftwerksbetrieb. VGB Power Tech 8/2009

Filip Klepacki

Pro Novum Sp. z o.o.

Własności długo eksploatowanej

miedziowej stali walczakowej

Walczaki już od wielu lat są wykonywane ze stali węglowych i stopowych (zawierających Cu, Ni, Mo, Nb, Ti). Pierwiastki takie, jak Ni, Cu powodują tworzenie się większej liczby dyslokacji, co powoduje wyraźny przyrost granicy plastyczności oraz obniżenie udarności.

Wysoka wytrzymałość doraźna (wysokie R_e oraz R_m ) spo-wodowała, że grubościenne elementy ciśnieniowe (walczaki) mogą być budowane z mniejszą grubością ścianki niż przy zastosowaniu stali kotłowych. Jednak w kraju, pomimo wyso-kiej wytrzymałości, w latach 1986 – 1989 uległy całkowitemu zniszczeniu dwa walczaki: tj. w EC-3 Łódź oraz w Elektrowni Łaziska. Podobne awarie miały miejsce również w elektro-wniach zagranicznych, m.in. w Anglii – Elektrownia Cockenzie. Walczaki ulegały uszkodzeniom przede wszystkim w trakcie wykonywania prób ciśnieniowych. Wnikliwe badania wykazały, że bezpośrednią przyczyną uszkodzeń była niska plastyczność stali w temperaturze otoczenia. Materiał uszkodzonych walcza-ków charakteryzował się niską udarnością wskutek podniesienia progu kruchości – obniżona ciągliwość. Wspomniane badania wykazywały również, że niska udarność stali miedziowych nie tylko jest związana z jej składem chemicz-nym ale również z czasem i warunkami pracy. Ten pogląd budził wiele kontrowersji i wielokrotnie, na łamach prasy, był kontesto-wany [1, 2]. Uwzględniając powyższe oraz biorąc pod uwagę współczesne wymagania krajowej energetyki ukierunkowanej na jak najdłuższą eksploatację obecnych urządzeń i maszyn (programy 350 tys. godzin „i może jeszcze dłużej”) wykonano badania materiałowe miedziowej stali walczakowej po przepracowaniu ok. 320 tys. godzin.